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변형률 제어의 과제

왜 변형률 제어인가요?

금속의 일부 기계적 특성은 시험 속도에 영향을 받으므로 '변형률 속도에 민감'합니다. 2009년 주요 금속 시험 표준 중 하나인 ASTM E8은 시편의 변형률 속도 제어에 기반한 방법을 포함하도록 업데이트되었습니다. 이 변경 전에는 응력 제어 또는 크로스헤드 속도 제어로만 시험을 수행할 수 있었으며, 이 경우 전체 장비 강성이 시편의 속도에 영향을 미쳐 결과의 차이를 유발할 수 있었습니다. 변형률 민감 재료를 크로스헤드 속도 제어로 시험할 때, 허용되는 시험 속도는 ASTM E8/E8M 및 ISO 6892-1에서 허용되는 가장 느린 속도와 가장 빠른 속도에서의 시험 결과 간에 10% 이상의 내력 차이를 발생시킬 수 있습니다.

그러나 변형률 제어로 시험을 수행하면 시험 중에 다양한 속도로 가동하여 장비 컴플라이언스를 보상하고 시편에 일정한 변형률 속도를 유지할 수 있습니다. 이 방법은 필요한 전체 시험 시간을 단축하여 처리량을 높입니다. 또한 응력 제어 방식과 달리 폐루프 변형률 제어는 변형률 속도가 시험 표준을 준수하는지 확인하기 위해 크로스헤드 속도를 여러 번 시행착오를 거쳐 조정할 필요가 없으므로 시간을 절약하고 시험 설정을 위해 시편이 낭비되는 것을 방지할 수 있습니다.

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폐루프 변형률 제어 달성을 위한 요구 사항

시험 시스템이 폐루프 변형률 제어를 달성하려면 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 모든 경우에 시험 장비와 신율계가 갑작스럽거나 반복적인 진동 또는 충격으로부터 격리되는 것이 중요합니다. 이러한 요소는 시험에 간섭을 일으킬 수 있기 때문입니다.

신율계

신율계는 시편의 변형을 측정하는 데 사용되는 고정밀 장치입니다. 신율계는 변형률 측정 계산에서 시스템 컴플라이언스를 제거하지만, 선택한 신율계가 시편의 이동 거리에 적합하고 평행부 길이에 대한 표점 거리의 비율이 적절한지 확인하는 것이 중요합니다.

Instron clip-on extensometer attached to a flat metal specimen for strain measurement

그립

그립은 시험 중에 시편을 단단히 고정해야 하며, 높은 강성과 최소한의 컴플라이언스를 갖추는 것이 바람직합니다. 그래프는 다양한 유형의 그립 장치가 시스템 강성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지, 그리고 변형률 제어 상태의 장비가 이를 어떻게 보상해야 하는지를 보여줍니다.

Line chart comparing crosshead extension rate and tensile stress across moving faces, moving body, and dual side action hydraulic grip types

하중 프레임

시험 시스템의 로드 프레임에는 정밀하고 안정적인 구동 시스템과 높은 강성이 필요합니다. 오른쪽은 명목상 유사한 재료에 대한 응력-변형률 곡선을 보여줍니다. 하나는 고강성 프레임에서, 다른 하나는 저강성 프레임에서 시험한 것입니다. 추정 변형률 방법 계산을 사용하여 두 시험 모두 2.25 mm/min의 일정한 크로스헤드 속도로 수행되었습니다. '시편 속도'(mm/min으로 표시)에서 21%의 차이가 발생했으며, 이는 항복 결과에서 5%의 차이로 이어졌습니다.

| Instron 두 개의 로드 프레임에 걸친 시험기 강성을 비교한 응력-변형률 차트, 최대 0.8% 변형률까지 측정된 응력과 유사한 곡선을 보여줌

Stress-strain chart comparing testing machine stiffness across two load frames, showing similar curves with stress measured up to 0.8% strain

이 그래프는 '강성' 시스템과 덜 강한 시스템 간의 시편 속도 차이를 보여줍니다. 시험 시작 시 크로스헤드의 움직임이 시편의 변형률로 매우 빠르게 전달되는 반면, 약한 시스템에서는 더 오래 걸리는 것을 볼 수 있습니다. 이는 장비/로드셀/그립의 편차로 인해 해당 움직임이 시편으로 전달되지 않기 때문입니다. 두 장비 모두 변형률 제어를 사용한다면 결과는 훨씬 더 비슷해지겠지만, 약한 시스템에서는 제어가 더 어려울 가능성이 높습니다.

| Instron 두 가지 시험 설정에 대한 시편 속도 대 변형률을 비교한 차트, 하나는 약 1.1 mm/min에 도달하고 다른 하나는 약 0.9 mm/min에 도달함을 보여줌

Chart comparing specimen speed versus strain for two test setups, showing one reaching approximately 1.1 mm/min and the other approximately 0.9 mm/min

소프트웨어 및 컨트롤러

변형률 속도 제어가 가능한 장비는 시험 표준에서 요구하는 공차를 유지하기 위해 응답성이 뛰어난 컨트롤러와 정밀하고 안정적인 구동 시스템이 필요합니다. 일부 장비는 이 방법을 달성할 수 있다고 광고하지만 사용자가 컨트롤러의 게인 설정을 수동으로 조정해야 하므로 숙련된 시스템 운영자에게도 어려울 수 있습니다.

| Instron 로드 프레임에 장착된 Instron 시험 시스템 핸드셋 컨트롤러, 배경 모니터에 Bluehill® 소프트웨어 인터페이스가 보임

Instron testing system handset controller mounted on a load frame with Bluehill software interface visible on monitor in background

시편

비례 시편과 비례 표점 거리 신율계가 이상적입니다. 실제로 표점 거리 대 평행부 길이 비율이 좋은 시편은 표점 거리 외부에서 발생하는 변형을 최소화하는 데 적합하여 제어를 더 안정적으로 만들어 줍니다. 시편이 불연속 항복에서 연속 항복으로 변하는 경우, 각 유형에 따라 제어 방법을 변경하는 것이 중요합니다. 불연속 항복 재료의 경우 표점 거리 외부에서 국부 항복이 발생할 수 있으므로 변형률 피드백으로 제어하는 것이 불가능하며, 항복점 연신율[YPE/Ae] 동안에는 크로스헤드 속도 제어 상태여야 합니다.

폐루프 변형률 제어의 장점

✓ 더 높은 반복성 및 비교 가능한 결과 - 장비 간 시험 결과의 신뢰성 확보
✓ 효율성 향상 - 시험당 시간 최소화 및 설정 시간 단축
✓ 6800 시리즈 컨트롤러 전자 장치가 장착된 시험 시스템 사용 시 시편을 이용한 조정 불필요

현재 설정이 진정한 폐루프 변형률 제어를 달성하고 있는지 확신할 수 없습니까?
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